管強(qiáng)盛，陳禮儀，張林生，張統(tǒng)得，吳金生，張 揚(yáng)

(1．成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059;2．中石化重慶鉆井液公司，重慶404100;3．中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都611734)

0 引言

在汶川科鉆WFSD－4孔一開和二開鉆進(jìn)過程中，多次鉆遇含CO2氣體的地層。由于過去在地質(zhì)鉆探中較少遇見含CO2氣體的地層，對(duì)CO2污染鉆井液的現(xiàn)象及機(jī)理缺少認(rèn)識(shí)和研究，所以在前期的處理過程中一直找不到根本的解決辦法，鉆井液的粘度和切力高低起伏很大，鉆井液性能很難控制，給正常鉆進(jìn)造成了一定的影響。通過閱讀大量文獻(xiàn)以及在大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，展開了對(duì)CO2污染鉆井液及其相應(yīng)處理措施的研究。研究發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)大量的CO2氣體進(jìn)入鉆井液時(shí)，隨著鉆井液中CO32－和HCO3－濃度增加，會(huì)造成鉆井液粘度切力升高、濾失量增大和pH值降低，嚴(yán)重破壞鉆井液性能。另外，CO32－和HCO3－對(duì)鉆井液性能影響略有不同，隨著HCO3－濃度增加，動(dòng)切力呈上升趨勢(shì);而隨著CO32－濃度增加，動(dòng)切力則先減后增。當(dāng)CO32－和HCO3－這2種離子污染鉆井液后，鉆井液的性能很難通過加入處理劑的方法加以調(diào)整，只能通過化學(xué)的方法將它們清除。

1 WFSD－4孔地層及施工概況

1．1 地層概況

2008年5月12日的汶川地震(Ms8.0)使龍門山斷裂帶中映秀－北川斷裂(中央斷裂)和安縣－灌縣斷裂(前山斷裂)同時(shí)破裂，分別形成0～270和0～80 km長(zhǎng)的地表破裂帶，并且前者破裂帶(映秀－北川)具有逆沖伴隨右旋走滑運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，南段以逆沖運(yùn)動(dòng)為主，北段以走滑運(yùn)動(dòng)為主;后者破裂帶(安縣－灌縣)為純逆沖運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。為了解汶川地震發(fā)生機(jī)理、為什么會(huì)形成兩條不同運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的破裂帶以及斷裂行為和機(jī)制，汶川地震科學(xué)鉆探項(xiàng)目沿具有大同震位移量的不同斷裂帶上盤地方設(shè)置5口群鉆，其中WFSD－1孔和WFSD－2孔布置在映秀－北川斷裂帶南段具有0～6 m同震垂直位移量的都江堰市虹口鄉(xiāng)八角廟村，目前已完鉆;WFSD－3P孔和WFSD－3孔布置在安縣－灌縣斷裂帶具有0～4 m最大同震垂直位移量的綿竹市九龍鎮(zhèn)清泉村，目前已完鉆。WFSD－4選擇在映秀－北川斷裂帶北段具有強(qiáng)烈走滑作用的地方(不同于南段運(yùn)動(dòng)性質(zhì))，經(jīng)多次考察、論證，最終選擇在平武縣南壩鎮(zhèn)地區(qū)。

具體地層情況:0～1100 m寒武系地層，變砂巖、凝灰質(zhì)砂巖夾板巖和硅質(zhì)巖，1100 m左右可能存在厚度＜1 m的斷層泥;1100～1600 m寒武系地層，變砂巖、板巖夾硅質(zhì)巖、灰?guī)r，1600 m左右可能存在厚度＜1 m的斷層泥;1600～2365 m震旦系地層，薄層變砂巖、千枚巖、含礫變砂巖，2365 m左右可能存在0～1 m厚的斷層泥，破碎極其強(qiáng)烈;2365～2730 m寒武系地層，變砂巖、板巖夾硅質(zhì)巖、灰?guī)r，2730 m左右可能存在厚度＜1 m的斷層泥;2730～3350 m震旦系地層，硅質(zhì)白云巖、千枚巖、薄層變砂巖，該段較為破碎，3100 m左右可能存在厚度＜1 m的斷層泥。

1．2 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆井液

(2)WFSD－4孔一開(0～500 m)和二開初期(500～1131 m)鉆進(jìn)過程中主要采用CMC高含膨潤(rùn)土鉆井液體系，該體系優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配置方便且成本低，但是抑制能力差，抗離子污染能力不足，鉆井液易受污染，性能波動(dòng)大，給鉆井液的正常維護(hù)和正常鉆進(jìn)帶來了不小的影響。

2 WFSD－4孔鉆井液受CO2污染的現(xiàn)象

WFSD－4孔遭受CO2污染后表現(xiàn)出了以下特征:

(1)鉆井液呈暗灰色，污染嚴(yán)重時(shí)呈暗黑色膠油狀，鉆井液中含大量氣泡且不易消除;

(2)鉆井液粘度和切力居高不下，性能極不穩(wěn)定，用處理劑處理不起作用，測(cè)定鉆井液流變性時(shí)粘度計(jì)指針不回零，影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;

(3)鉆井液流動(dòng)性變差，掛壁現(xiàn)象嚴(yán)重，會(huì)在鉆桿上特別是接頭處形成厚厚的類似于泥皮的物質(zhì);

(4)鉆井液濾失量難以控制，忽高忽低，雖然用大量降濾失劑可以控制濾失量在5 mL/30 min以內(nèi)，但泥餅質(zhì)量差，泥餅虛厚;

(5)鉆井液pH值難以控制;

(6)膨潤(rùn)土與固相含量均在正常值范圍，但觸變性強(qiáng)，靜止后呈“豆腐塊”狀。

現(xiàn)場(chǎng)鉆井液污染后效果見圖1。

圖1 被CO2污染的鉆井液

3 CO2對(duì)鉆井液性能影響的作用機(jī)理

石油行業(yè)的很多研究顯示，當(dāng)CO2浸入鉆井液后，首先通過化學(xué)反應(yīng)消耗掉鉆井液中的Ca2+、OH－等離子，未溶解的部分再形成大量微泡分散于鉆井液體系中，引起鉆井液粘切大幅度上升。同時(shí)由于OH－的消耗，鉆井液的pH值大幅降低，造成稀釋劑及其他處理劑不能正常發(fā)揮作用，由此進(jìn)一步引起粘切失控、濾失量增大、處理劑處理無效等現(xiàn)象，尤其對(duì)固相含量高的高密度水基鉆井液的影響更大，鉆井液會(huì)很快失去流動(dòng)性。

(1)地層中大量的 CO2進(jìn)入鉆井液時(shí)，使CO32－含量增加，造成粘土等低密度固相物質(zhì)分散度提高，形成細(xì)分散，使鉆井液粘度、切力上升。

(2)鉆井液受CO2污染后，由于大量HCO3－的存在，pH值迅速降低，導(dǎo)致那些需要在堿性環(huán)境中才能發(fā)揮有效作用的處理劑功效下降甚至完全失效，鉆井液表現(xiàn)出不接受降粘劑處理，使鉆井液粘度、切力難以控制。

(3)大量未溶解的CO2氣體被鉆井液包裹，形成細(xì)分散微泡，導(dǎo)致鉆井液切力升高，初切、終切值幾乎接近，流變性惡化，尤其是高密度鉆井液表現(xiàn)更為突出。低密度鉆井液受到CO2污染時(shí)，通常表現(xiàn)為鉆井液大量起泡，造成鉆井液密度降低，使鉆井液靜液柱壓力下降，影響正常鉆進(jìn)。隨著CO2污染量的增大，鉆井液粘度、切力和濾失量略有增加，pH值降低。高密度鉆井液受到CO2污染則不會(huì)有明顯的起泡現(xiàn)象，失水變化不大，但是粘度、切力變化明顯，初、終切數(shù)值接近甚至相等，泥餅質(zhì)量變差，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重CO2氣侵時(shí)，未溶解的CO2氣體完全分散進(jìn)入鉆井液，形成高度細(xì)分散微泡，造成鉆井液流變性發(fā)生明顯變化，尤其是固相含量很高的超高密度鉆井液甚至可能會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)失去流動(dòng)性。

4 CO2污染的預(yù)防及處理辦法

4．1 污染的預(yù)防

(1)根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)調(diào)整鉆井液密度，目的是平衡地層流體壓力，盡可能減少CO2進(jìn)入鉆井液的可能，以降低對(duì)鉆井液造成污染的風(fēng)險(xiǎn)并降低地面處理的工作量。

(2)鉆遇可能含CO2的氣層前，將鉆井液轉(zhuǎn)換成有較強(qiáng)的抑制性和抗酸性氣體污染能力的粗分散鉆井液體系，例如鈣處理鉆井液或鉀石灰聚磺鉆井液體系。

(3)保持鉆井液中始終有過量的石灰，因?yàn)镃aO在生成CaCO的同時(shí)不斷地消耗 CO2－和33HCO3－，由此可預(yù)防CO2侵入所帶來的鉆井液性能惡化。過量的石灰作為儲(chǔ)備鈣存在于鉆井液中，形成Ca(OH)2微溶物，它能緩慢釋放Ca2+，對(duì)體系的pH值等相關(guān)性能有較好的緩沖調(diào)節(jié)作用。

(4)始終保持pH值大于11。在這種堿性環(huán)境下，CaO能夠迅速而有效地溶解于鉆井液中并釋放Ca2+。否則的話，即便存在過量的石灰，也會(huì)因溶解速度不夠而不能起到很好的作用。

4．2 污染后的處理

CO32－可用鈣處理的方法使其生成CaCO3沉淀將其除去，而HCO3－不能直接除去，必須先使它與OH－反應(yīng)轉(zhuǎn)換生成CO32－后才可能除去。Ca2+可通過石灰、石膏或氯化鈣提供。

用石灰處理的反應(yīng)式:

用石膏或氯化鈣處理的反應(yīng)式:

5 WFSD－4孔鉆井液CO2污染的處理

5．1 鉆井液CO2污染造成的鉆井液性能變化情況

在對(duì)CO2污染鉆井液的作用機(jī)理進(jìn)行分析和借鑒石油方面的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)WFSD－4孔一開采用的CMC高含膨潤(rùn)土鉆井液體系抗污染能力差的缺點(diǎn)，在二開前期鉆進(jìn)過程中逐漸將其轉(zhuǎn)換為抗污染防塌能力強(qiáng)的鉀石灰鉆井液體系。鉀石灰聚磺鉆井液體系，具體配方:4%NV－1+0.1%K－PAM+0.2%NH4－HPAN+3%FT－342+3%～5%KCl+0.4%CaO+3.5%～5%SMP－1+0.6%CMC+2%SMC+2%SPNH+3%QS－1。

正常情況下保持循環(huán)鉆井液中Ca2+濃度為300～400 ppm。

鉆進(jìn)至1470 m左右開始，錄井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示鉆井液中CO2含量逐漸升高，從正常值0.09%上升到0.39%，最高達(dá)到0.6%，取循環(huán)井漿測(cè)酸根離子濃度(HCO3－2000 ppm、CO32－4200 ppm)，結(jié)果表明鉆井液已遭受CO2污染。在CO2入侵的過程中，隨著CO2含量的增加，鉆井液粘度切力呈先降低后升高的趨勢(shì)，失水逐步升高，鉆井液性能變化見表1。

表1 鉆井液性能變化

由于現(xiàn)場(chǎng)采用的鉀石灰聚磺鉆井液體系自身含有一定量的Ca2+，且該體系具有較好的抗污染能力，所以當(dāng)鉆井液遭受 CO2入侵，生成 CO32－和HCO3－時(shí)，鉆井液能夠中和掉一部分酸根離子，降低體系中的酸根離子濃度，所以鉆井液性能未發(fā)生大的變化。但隨著CO2持續(xù)侵入，體系中酸根離子濃度大量增加，體系自身的Ca2+濃度不足以平衡酸根離子濃度，造成鉆井液性能變壞，具體表現(xiàn)為粘度、切力升高，流動(dòng)性變差。鉆井液的變化給鉆井工作帶來了影響，立管壓力增加很快，泥漿泵工作受到影響，因此必須及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。

5．2 處理前室內(nèi)試驗(yàn)

依據(jù)CO2污染鉆井液的作用機(jī)理和相應(yīng)的處理意見，決定先采用石灰對(duì)鉆井液進(jìn)行處理，同時(shí)補(bǔ)充適量護(hù)膠劑。取井內(nèi)循環(huán)鉆井液進(jìn)行室內(nèi)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，向鉆井液中加入1%的石灰，同時(shí)加入2%的膠液，膠液配方為:3%SMC+0.15%SXP－2+0.1%SPNH+0.2%FT－342+0.3%SMP－2+0.2%JNA+0.1%NaOH。

經(jīng)充分?jǐn)嚢?，結(jié)果表明:鉆井液流動(dòng)性變好，無掛壁現(xiàn)象，鉆井液粘切下降，濾失量降低，泥餅質(zhì)量變好(鉆井液性能為:密度1.20 g/cm3，漏斗粘度50 s，塑性粘度 20 mPa·s，動(dòng)切力 11 Pa，初切/終切4.5/15 Pa，API濾失量 6.2 mL/30 min，泥皮厚度0.5 mm，pH值9.5)，說明用生石灰加膠液的方法處理鉆井液可行。

5．3 現(xiàn)場(chǎng)處理

首先向循環(huán)池中加入 XP－1消泡劑50 kg(0.5%)以消除鉆井液中大量的氣泡，再在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定向循環(huán)泥漿中加入1%的石灰(約1200 kg)，同時(shí)為降低鉆井液的濾失量和改善泥餅質(zhì)量，配以其他分散型降失水劑對(duì)泥漿進(jìn)行處理，另外加堿提高鉆井液的pH值，以有利于除去酸根離子，具體配方如下:1%石灰+0.3%SMC+0.15%SXP－2+0.1%SPNH+0.3%SMP－2+0.1%NaOH+0.1%KOH+0.2%JN－A+0.2%FT－342。

在處理時(shí)，為保證鉆井液性能平穩(wěn)過渡，按鉆井液循環(huán)周期通過混料漏斗分3次向循環(huán)池中加入處理劑。向循環(huán)池中加入足量處理劑并經(jīng)過充分循環(huán)后，鉆井液性能逐漸恢復(fù)正常，氣測(cè)CO2也逐漸降低至正常值，此次污染處理成功完成。處理后的鉆井液性能為:密度1.21 g/cm3，漏斗粘度45 s，塑性粘度22 mPa·s，動(dòng)切力 13 Pa，初切/終切 4/15 Pa，API濾失量6.0 mL/30 min，泥皮厚度0.5 mm，pH值9.5。

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)鉀石灰聚磺鉆井液體系作為石油鉆井行業(yè)目前普遍采用的一種鉆井液體系具有較強(qiáng)的抗CO2污染能力，該鉆井液體系性能穩(wěn)定，其中有足夠的儲(chǔ)備鈣，能預(yù)防地層中新進(jìn)入的CO2氣體對(duì)鉆井液造成污染。在鉆井液遭遇低濃度CO2污染時(shí)，能夠自我平衡酸根離子濃度，維持鉆井液性能的穩(wěn)定，且在CO2污染較重時(shí)，也有處理的基礎(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了良好的效果。

(2)需要盡可能保持較低的膨潤(rùn)土含量，防止CO2污染后鉆井液形成高度細(xì)分散，這樣也可以提高鉆井液的抗污染能力。

(3)在處理CO2污染時(shí)應(yīng)加入一定濃度的其他功能性處理劑，主要是降粘劑和降失水劑，調(diào)整鉆井液的流變性、造壁性，必要時(shí)加入表面活性劑、柴油和消泡劑，有利于鉆井液脫氣、消泡和密度的保持。

(4)在鉆井液遭受酸根離子污染時(shí)適當(dāng)提高鉆井液的pH值，保證鉆井液處于堿性環(huán)境下，使部分處理劑繼續(xù)發(fā)揮作用，提高鉆井液的抗CO2污染能力。

(5)發(fā)現(xiàn)CO2氣侵時(shí)，要及早檢測(cè)酸根離子濃度，同時(shí)取循環(huán)鉆井液進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，確定污染類型和處理方案。否則，當(dāng)酸根離子嚴(yán)重污染鉆井液，造成鉆井液粘切急劇上升、流動(dòng)性變差甚至呈滴流時(shí)，會(huì)給后期處理和正常鉆進(jìn)帶來嚴(yán)重影響。

(6)在實(shí)際處理污染時(shí)，要根據(jù)鉆井液的循環(huán)情況，采用適當(dāng)?shù)姆绞健⒃谶m當(dāng)?shù)臅r(shí)間、適量的向循環(huán)系統(tǒng)中加入處理劑，切不可急急忙忙的對(duì)鉆井液進(jìn)行突然性的大處理，造成鉆井液性能急劇變化，造成井內(nèi)復(fù)雜情況，給正常鉆進(jìn)帶來更嚴(yán)重的危害。

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